多層框架結構設計應注意的問題及措施

裘孝平+裘國強

摘 要：多層框架結構房屋的結構設計歷來都是建筑設計中比較重要的環節，特別是房屋的抗震設計在汶川大地震之后更是得到前所未有的重視。主要從多層框架結構抗震設計原則，結構體系的安全性，多層框架結構的構造措施，關于“強柱弱梁”節點的設計，加強短柱的構造措施等方面總結歸納了國內外的研究現狀與成果。

關鍵詞：結構設計； 抗震設計； 構造措施；強柱弱梁

2008年5月12日，我國四川省汶川縣發生8.0 級特大地震，震中烈度11 度，當地建筑遭受嚴重破壞并造成巨大的人員傷亡和財產損失。震后，大量的科研工作者及一線設計人員多次深入地震災區，開展震害調查及震后修復工作。并結合地震災害情況，對我國現行的建筑抗震設計規范進行了完善，為日后的工程設計提供更可靠的安全保障。

多層框架結構在結構設計應該充分考慮房屋施工區的地質條件，特別是地震比較頻繁的地區，更應該注重對建設工程施工項目的抗震防范烈度及場地類別加以合理填報與控制。在設計多層框架的抗震能力時，應該設計成“強柱弱梁”的節點形式，“強柱弱梁”就是梁端截面的屈服彎矩要小于柱端截面的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能地在梁端部出現?？蚣芙Y構在不同的位置和順序出現塑性鉸時，會產生不同的破壞形式。如果塑性鉸在一個強柱弱梁型的結構中， 它會先出現在梁端， 當塑性鉸出現在全部梁端或者部分梁端的時候， 框架結構對于外荷載仍能夠承受，而在塑性鉸出現在柱子底部的時候，才能破壞框架結構。

1.多層框架結構設計原則

1.1 抗震驗算時不同的樓蓋及布置決定了采用剛性、剛柔、柔性理論計算

抗震驗算時應特別注意場地土類別。8度超過5層有條件時，盡量加剪力墻，可大大改善結構的抗震性能。框架結構應設計成雙向梁柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架梁上。應加強垂直地震作用的設計，從震害分析，規范給出的垂直地震作用明顯不足。

1.2 剛柔并濟設計理念

合理的建筑結構體系應該是剛柔相濟的。結構太柔雖然可以很好的消減外力，但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆；結構太剛則變形能力差，承受的力很大時，容易造成局部受損最后全部毀壞。結構是剛一點好，還是柔一點好，這問題歷來都是結構專家們爭論的焦點，現今的規范給出的也只是一些控制的指標，但無法提供精確答案。

1.3 安全的結構體系

安全的結構體系是層層設防的，災難來臨，所有抵抗外力的結構都在通力合作，集體對抗。這時候，如果把建筑結構安全的希望全部寄托在某個單一的構件上，是非常危險的。如土建結構中框架剪力墻比純框架好，多肢墻比單片墻好等等，就是體現了多道防線的設計思路]。從汶川地震時房屋遭受的震害看，嚴格按抗震規范設計的鋼筋混凝土建筑結構（7度設防）經受了強震考驗，表現了較好的抗震性能。葉列平]等分析了結構抗倒塌能力的因素和評價指標，并提出提高結構整體承載力儲備和變形能力，增加結構的冗余度和整體性等措施能顯著提高結構的抗倒塌能力。

2.多層框架結構設計應注意的問題及措施

2.1 基礎設計中的基礎連梁、地下框架梁和基礎梁

在多層框架結構設計中， 很多設計新手很容易混淆這三個概念。也有人把所有的地下梁統稱為基礎梁。在框架獨立柱下基礎設計時，在基礎頂面附近或接近于±0.000 的位置設置雙向的地下梁。設置此梁的目的一是為了提高基礎整體性，調節上部結構的不均勻沉降，其二是用來承擔框架底層的墻體。我們把它稱為基礎連梁，當基礎埋置深度不是很大時，基礎拉梁頂標高一般所用與基礎頂齊平，基礎拉梁的鋼筋分別錨固于基礎之內，計算模型是支承在基礎上簡支梁，而不是連續梁。

為了使基礎拉梁的實際受力符合計算模型，結構說明中常要求基礎梁底架空（如要求先素土夯實，再鋪爐渣300mm厚，梁底留100mm高空隙）；當基礎埋置深度較大時，基礎拉梁的頂面標高一般位于地坪下500mm， 這樣做的好處就是計算模型簡單，可以把它當作一層框架由軟件完成計算工作，還可以節省基礎拉梁上的墻體]。此時的基礎拉梁在實際概念上應屬于地下框架梁，其截面尺寸及配筋要求應同于樓面框架梁。而我們常稱的基礎梁，從結構分析角度來說，是起基礎作用的，即承受地基反力的梁。如筏板基礎中的基礎梁，基礎梁和基礎底板共同承受地基反力，其計算模型我們則采用“倒梁樓蓋法”， 基礎梁的受力筋設置位置和樓面框架梁剛好相反。

2.2 關于強柱弱梁節點

經過對震害的分析發現，在框架結構的破壞形式中，節點的破壞是非常嚴重的，而且很多倒塌房屋都出現“強梁弱柱”現象。結構中的節點受力復雜，容易發生破壞。節點的可靠與否是關系梁、柱能否可靠工作的前提，必須做到強節點、強錨固?？蚣芰褐濣c處的箍筋是防止節點破壞的一道防線。強柱弱梁措施的強弱，也就是相對于梁端截面實際抗彎能力而言柱端截面抗彎能力增強幅度的大小，是決定由強震引起柱端截面屈服后塑性轉動能否不超過其塑性轉動能力，而且不致形成“層側移機構”，從而使柱不被壓潰的關鍵控制措施]。柱強于梁的幅度大小取決于梁端縱筋不可避免的構造超配程度的大小，以及結構在梁、柱端塑性鉸逐步形成過程中的塑性內力重分布和動力特征的相應變化。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉移到立柱上。注意節點構造，讓塑性鉸向梁跨內移。

2.3 強剪弱彎剪力墻設計

為了提高抗震墻的變形能力，避免發生剪切破壞，對于一道截面較長的抗震墻，應該利用洞口設置弱連梁，使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻，并使每個墻段的高寬比不小于2。所謂弱連梁，是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%；連梁不能太強，以免水平地震作用下某個墻肢出現全截面受拉， 這是比較危險的。但是，考慮到耗能，連梁又不能太弱，連梁弱到成為一般小梁時，墻肢就變成單肢墻，而單肢墻的延性很差，僅為多肢墻的一半，且單肢墻僅具有一道抗震防線，超靜定次數少，在地震作用下是很不利的。目前，有許多設計人員將結構中門洞連梁、窗洞連梁都改為截面高度極小的二力桿件，這對結構抗震是很不好的。在實際設計中，對連梁的剛度都要進行折減，這是因為剪力墻的剛度一般都很大，在水平力作用下，剪力墻中的連梁會因為很大的內力而超過截面允許值，可靠的辦法是讓這些連梁先屈服，要使連梁能形成塑性鉸而不發生脆性破壞，連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求，對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。endprint

強剪弱彎是保證構件延性， 防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結構經歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現脆性剪切失效。對于多層鋼筋混凝土框架結構中的多層鋼筋混凝土框架結構梁應注意抗剪驗算和構造，使其滿足相關規范要求。

2.4 注意構造措施

對于大跨度柱網的框架結構，在樓梯間處的框架柱由于樓梯平臺梁與其相連，使得樓梯間處的柱可能成為短柱，應對柱箍筋全長加密。這一點，在設計中容易被忽視，應引起重視。對框架結構外立面為帶形窗時，因設置連續的窗過梁，使外框架柱可能成為短柱，應注意加強構造措施。對于框架結構長度略超過規范限值，建筑功能需要不允許留縫時，為減少有害裂縫（規范規定裂縫寬度小于0.3mm），建議采用補償混凝土澆筑。采用細而密的雙向配筋，構造間距宜小于150mm，對屋面宜設置后澆帶，后澆帶處按構造措施宜適當加強。

2.5 加強短柱的構造措施

在工程施工過程中頂棚可能要吊頂或其它裝修，甲方為了節約開支。往往要求柱間填充墻不到頂或者是在墻上任意開門窗洞，這樣往往會造成短柱，由于短柱剛度大，吸收地震作用使其受剪，當混凝土抗剪強度不足時，則產生交叉裂縫及脆性錯斷，從而引起建筑物或構筑物的破壞甚至倒塌，所以在設計中應采取如下措施：盡量減弱短柱的樓層約束，如降低相連梁的高度、梁與柱采用鉸接等；增加箍筋的配置，在短柱范圍內箍筋的間距不應大于l00mm，柱的縱向鋼筋間距≤150mm；采用良好的箍筋類型，如螺旋箍筋、復合螺旋箍筋、雙螺旋箍筋等。

3.結束語

雖然多層框架結構比較簡單，但是它的設計確實比較復雜的。對于地震頻發地區就更加了，對結構的抗震有更大的要求，這其中存在著很多我們目前還沒有解決的問題。我們現階段的首要任務是盡可能熟練地了解和掌握規范，并且能夠具有良好的結構概念，為我們以后在不斷的研究和實踐中，設計出具有完善的抗震性和經濟適用的建筑奠定堅實基礎。

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【文章編號】1006-2688（2017）10-0065-02endprint